Kemiske og fysiske processer af betydning for ammoniakfordampning fra gylle og handelsgødning

Transkript

1 Kemiske og fysiske processer af betydning for ammoniakfordampning fra gylle og handelsgødning Sven G. Sommer Institut for Kemi, Bio- og Miljøteknologi Syddansk Universitet

2 Ammoniak emission Ammoniak og sulfat danner i atmosfæren partikler som vurderes at være en sundhedsrisiko Når ammoniak afsættes påvirker det tilførte kvælstof økosystemers flora og dermed fauna dvs. naturindholdet FN har inkluderet i Convention on Long-range Transboundary Air Pollution (CLRTP) EU har i Gøteborg protokollen sat øverste grænser for emission fra EU lande ceiling

3 Afsætning af ammoniak og NO x NO x og afsætning Dansk Importeret Dansk NOx NO x og Ammoniak ( ) er de to vigtigste kilder til atmosfærisk kvælstof afsætning Importeret NOx Kvælstof afsætning, kg N pr. ha

4 Ammoniak emission Ammoniak fra landbruget Husdyrgødning-lagre Stalde Ammoniak i atmosfæren stammer fra landbruget (97%) Husdyrgødning-udbragt Afgrøder Ammoniakemission er ca ton N eller 21 kg N pr. ha (76% stammer fra husdyrproduktion) Slam Handelsgødning Græssende husdyr

5 NOx og Afsætning af DMU, Hertel et al. Afsætning af ammoniak og NO x Den totale afsætning af N,

6 Målsætninger Reduktion til ton eller ton -N i 2012 Det mål opnåes med generelle reduktions regler Beskyttelse af sårbar lokal natur I loven er krav til ammoniak reduktion en funktion af afstand til sårbar natur - bufferzoner. Sårbar natur er Højmoser, Lobeliesøer, Heder>10ha, Natura2000 lokaliteter etc.

7 Urea hydrolyse ( CO ) CO 2H O

8 Ammoniak kemi 4 H 2 O K N H O K N ( ) ( HO ( ) 4 ) KN ( ( H O) 4 ) TAN ( H O) / K 1 N ( Temp)

9 Ammoniak-ammonium ligevægt 0.10 TAN 4 +,,TAN (mol l -1 ) H 2 O K N ph H O

10 Ammoniak frigørelse og transport=fordampning Atmosfære,a Atmosfærisk grænselag, mm-cm Gylle overfladelag, cm,g 4 H Spørgsmål, hvad sker der med ph når ammoniak fordamper? Og med ammoniaktab over tid? TAN ( H O) / K 1 N ( Temp)

11 Kuldioxid fordampning øger ph CO 2,a,a Atmosfære Atmosfærisk grænselag CO 2,g,g Gylleoverflade 4 H K CO 2 CO H O HCO H 2, aq 2

12 Bufferkapacitet / CO -2 /HCO -1 B ufferkapacitet, d-m/d-ph VFA -1 /H-VFA HCO -1 /H 2 CO ph På hvilket niveau er gylles ph typisk og hvorfor?

13 Gylles ph som funktion fra afstand til overflade 0 Afstand fra overflade ,8 7,0 7,2 7,4 7,6 7,8 8,0 8,2 8,4 Gyllens ph Cahn et al.

14 Enkel transport model F F K( u) (,G, A),g 4 H [, G ] [, L ] [, L ] 1 TAN ([ H O ]/ K K TAN [ ] [ ] N ) H K N og K H er temperatur afhængige parametre K(u) er en transfer koefficient som afhænger af gyllens overflade (ruhed) og vindhastighed

15 Enkel transport model F K u (,G, A) volatilization, mgnm -2 s F(x)=1, x- 1, r 2 =0, ,g*u, mgnm -2 s -1 Vind (u) hastighed 1 m over gylleoverfladen K er afhænger af overdlade inkl. Flydelag, halm etc. Gylle temperatur TAN og ph i gyllen F K TAN K fordampnings koeffecient, % Sherlock et al. TAN i gyllen (Gennemsnit)

16 Transport af ammoniak fra gylleoverflade til atmosfæren Luft 5 o C Gylle 15 o C Luft 15 o C - gylle 5 o C Luft 15 o C Gylle 15 o C Luft 15 o C - gylle 15 o C Luft 5 o C - gylle 15 o C Luft 15 o C Gylle 5 o C 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Transfer hastigheds koefficient, 10-4 m s -1 Arogo et al. (1999)

17 Præcis fodring Udskilt kvælstof, g N dag Total - N Ammonium Organisk N 4, g, l Indtaget kvælstof, g N dag -1

18 Ammonium og surhed er afgørende parametre 0.8 Ammoniak fordampning, g N gris -1 dag H 2 O ( g) ( aq) H O Indtaget kvælstof, g N gris -1 dag -1 ph=-log(h + )

19 Ammoniak emision Stald 4.0 Ammoniak fordampning, kg stiplads -1 år Spaltegulvsareal i pct. af stiareal Aarnink A.J.A. et al. 1997

20 Micrometeorologisk transfer model,g 4 F H ( R a ) ( R b ) ( R e ) F 1 r A (, G, O ra b rc K r a r b u r a ln( l 6.2u / ku * 1 r b z * 0.67 r c 0 ) ) r c :overflademodstand(strå,flydelagetc.) K: Er von Karman's constant Z 0 : Typisk ruhedlængde er 1 mm : korrektion for atmospherisk stabilitet U*: friktion vindhastighed (funktion af vindhastighed og ruhedslængde)

21 Ammonium, ph, vind (hastighed, stabilitet), overfladeareal kan nu indgå i beregningen, eksempel i regneark Aarnink A.J.A. et al Ammoniak fordampning, g N gris -1 dag Indtaget kvælstof, g N gris -1 dag -1 Ammoniak fordampning, kg stiplads -1 år H 2 O Spaltegulvsareal i pct. af stiareal ( g) ( aq) ph=-log(h + ) H O

22 Reaktioner og konstanter Reaktion Konstant Dimension Henrys constant K H, K [, ]/ Ammoniumammoniak Ligevægts konstant, G, aq K N H 4, aq H aq g log( K H, ) 1.69 ( ) T T K [ ] [ H ], aq [ ] log( ) K T M/atm Ingen enheder R a R b R c s m -1 Gylle uden overdækning 2 4

23 Ammoniak tab stald og lager

24 Ammoniak reduktion stalde, Kai et al Teknik Staldtype Ammoniak (% redu.) Stalddesign 1. Redu. spaltegulv (svin) Nye svinestalde Gyllekanaler med V-form (svin) Nye svinestalde Køling af kanalbund (svin) Nye svinestalde Skraber og ajle-dræn (kvæg) Nye kvægstalde Staldseparation (fjerkræ) Nye fjerkræstalde ~25 Gyllebehandling i stald 6. Staldseparation (svin) Nye svinestalde ~50 9. Syrebehandling Stalde med gyllesystemer Kvæg:~50 Svin: ~70 Luftrensning 12. Kemiske luftvaskere Mekanisk vent. stalde Biologiske luftvaskere Mekanisk vent. stalde Biofiltre Mekanisk vent. stalde 0-70

25 Gylle forsuret i stald Ammoniak fordampning, % af Ammonium Dage fra udbringing Forsuret gylle Ubehandlet gylle

26

27 Gylle lager Reduktion ammoniakfordampning Relativt til gylle uden overdækning, % Uden overdækning Halmlag Flydelag Lecasten Plast folie A) Ubehandlet gylle vindtunnelmålinger Trælåg Uden overdækning Halmlag Lecasten B) Afgasset gylle storskala måling 1,01,52,02,5,0,54,04,55,0 Hvilken parameter i ammoniakfordampningsligningen varierer?

28 Ammoniaktab fra gylle og ajle lagre Husdyrtype Gødningstype Fordampningsfaktorer, procent tab Husdyrtype +/- overdækning % af total N ab stald % af 4 -N ab stald Kvæg Gylle uden overdækning 6,0 10, Gylle overdækket a 2,0,4 Teltkonstruktion eller betonlåg 1,0 1,7 Svin Gylle uden overdækning 9,0 11,4 Gylle overdækket a 2,0 2,5 Teltkonstruktion eller betonlåg 1,0 1, Afgasset Gylle uden overdækning 21 27, gylle Gylle overdækket a 4,0 5,2 Teltkonstruktion eller betonlåg 2,0 2,6 Ajle Ajle uden overdækning 0 Ajle overdækket a 6,0 6,7 Ajle i lukket beholder 2,0 2,2 Pelsdyr Gylle uden overdækning 9,0 12,9 Teltkonstruktion eller betonlåg 1,0 1,4 Hvorfor procent af ammonium i stedet for total N?

29 Temperatur i kompoststak Tilpas fugtig Porøs Stor nok til at kunne isolere Kulstof Næringsstoffer Luftflow Luft 70 C 65 C 60 C 50 C 0 C

30 Lagring af fast staldgødning Hindre kompostering Reducere luftskifte Absorbere ammoniak Svinemøg Efterår Omsætte ammonium til organisk kvælstof Tørvedæke Komprimering Vægeoghus Kompostdug Højt halmindhold Ammoniak fordampning, kg N t -1 møg Forår Kvægmøg Efterår Forår Dage fra eksperiment start Amoniakfordampningi pct. afubehandlet Petersen et al. (1996)

31 Slangeudlægning

32 Slangudlagt gylle Gylle udlægges på jorden mellem rækkeafgrøder Planterne: Reducere vindhastighed og temperatur optages af afgrøden (op til 25% af udledt ) Jorden: Forbedret nedsivning af gyllen, reduceret gylleareal Slangeudlagt gylle

33 Slangeudlagt gylle Fordampning relativt til bar jord, pct Afgrødehøjde, cm

34 Nedfældning Gylle kommer i kontakt med jord Reduceret overfladeareal af gylle Duer ikke i høje afgrøder Nedfældning

35 Nedfældere Rulleskær efterfulgt af nedfælderskær og rulle til at lukke fure Sortjordsnedfældning

36 Nedfældning 0 m gylle pr. ha. Reduktion afhænger af maskinen maskinens vægt jordens hårdhed afgrøden (græs, rækkeafgrøde, etc.) andre? Reduktion relativt til slæbeslangeudlagt gylle, % Fure volumin, m ha -1

37 Nedbringning af gylle

38 Udbringning og nedbringning Plov Rotor harve Tand harve Reduktion i pct. af overfladeudbragt

39 Reduceret tørstof i gylle Forbedret nedsivning af gyllen Bedre kontakt med Rubber wheels Ammoniak emission, % af ammonium Thin disks 0 Vertical jord Slurry tube tines Tørstof, %

40 Fortynding af gylle Ubehandlet svinegylle Fortyndet; 120 vand:100 gylle Ufortyndet reduktion, % af ubehandlet Fødeslange Kobling Transportslange Bioforgasset og separeret gylle Fortyndet; 120 vand:100 gylle Ufortyndet reduktion, % af ubehandlet

41 Forsuring af lagret gylle Reduceret ph vil skifte ligevægten fra 4 + Ved ph 6 er tabet ubetydeligt Forsuring kan medføre skumdannelse Høj alkalinintet (kuldioxid, organiske syrer og ammoniak) medfører at store mængder syrer er nødvendig

42 Udbringning om natten April May Tid 6:00 Tid 12:00 Tid 18:00 Tid 6:00 Tid 12:00 Tid 18:00 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 fordampning, g N m -2 pr. 6 timer Fødeslange Kobling Lavere vindhastighed og turbulens Lavere temperaturer Hvorfor denne effekt? Transportslange

43 Opsummering Reduktion, % Vandet,10 mm Forsuret, ph<6 Tandharve Rotorharve Pløjning Nedfældet, -5 cm Nedfældet, >8 cm

44 Parametre til beregning af ammoniaktab fra udbragt gylle ALFAM Faktorer Jordens fugtighed Luft temperature Vind Gylle type Tørstof (TS) Ammonium indhold Udbringningsteknik Nedbringning. Effekt på fordampning Våd jord 10% højere end tør jord +2% pr. C +4% pr. m/s Svine gylle 14% mindre end kvæg gylle +11% pr. % TS Positiv bredspredning > slæbeslange > nedfældning (åben) Overfladeudlagt er 11 gange højere end overfladisk nedfældning. Hvad er effekten af bioforgasning af gylle?

45 Ammoniak tab handelsgødning og afgrøder

46 Ammoniak fordampning fra handelsgødning, vind tunnel studier Ammoniak emission, -N pct. af udbragt N Sommer et al Urea DAP CAN AS 4HSO 4 H 2O H HSO 4 Hvad sker der ved udbringning af svovlsur ammoniak på kalkrig jord? CO( H O HCO 2) ( 4 ) HCO CO2 H 2O 4

47 Ammoniak emission, pct. af udbragt N Effekt af placering af handelsgødning Vindtunnel Dynamisk kammer Bredspredt Placeret 2.5 cm Bredspredt Placeret 1 cm Placeret 2 cm Opblandet 2 cm Opblandet cm

48 Ammoniak fordampning fra urea udbragt til vinterhvede, mikro. met studier Ammoniak emisson, pct. udbragt N Vinter hvede spirer, Z 05 Vinter hvede, skuddannelse, Z Vinter hvede, faneblad, Z 0 Vind Afgrøde skygge Afgrøde skygge Vind Bacon and Freney, 1989 April Juni

49 Kompensations punkt Ingen transport gennem cellevæg F g (, leaf a ) Al transport gennem stomata (læbeceller) Lineært op til 500 nmol mol -1 Kompensationspunkt fra Mellem gødskning 0,02 microg m - Efter gødskning 10 microg m - Variation på 1-7 nmol mol -1

50 Ammoniak fordampning afgrøder Ammonia emission,kg -N ha UK DK, DK, UK DK, 199 DK, 1994 USA, 1985 DK, 199 DK, 1994 Barley Wheat Oilseed rape

51 Effekt af tilførsel af gødning - rajgræs Ammoniak emission, g m -2 dag -1 0,5 0,4 0, 0,2 0,1 0, Dage fra tilførsel af gødning DAP, April DAP, Marts AS, April AS, Marts

52 Ammoniak fordampning kombination af tab fra urea og afgrøde Schjoerring og Mattsson 2001

53 Schjoerring og Mattsson 2001 Skridnings stadie

54 Opsummering Ammoniak tab fra handelsgødning Afhænger af om gødningen er sur eller basisk Afhænger af nedfældning Afhænger af afgrøde Ammononiaktab fra planter afhænger af fysiologiske alder Mængden af gødning tilført planten Luftens indhold af ammoniak